Розумна пов'язка може прискорити загоєння ран, активно відстежуючи процес загоєння та реагуючи на нього. Концептуальний пристрій a-Heal розроблено для розміщення всередині звичайної колостомічної пов'язки та включає камеру, яка робить знімки рани кожні дві години, а також бездротове підключення до модуля машинного навчання, який надає актуальні рекомендації щодо стимуляції загоєння.
Багатопрофільна дослідницька група під керівництвом Марко Роланді, професора електротехніки та інформатики Університету Каліфорнії в Санта-Крузі, розробила a-Heal. Роланді каже, що спочатку метою було скоротити час загоєння бойових поранень на 50% у рамках ініціативи Агентства перспективних дослідних проєктів Міністерства оборони США.
Хоча a-Heal був випробуваний на рані (на свині), отриманої в результаті травми та здатної швидко гоїтися, Роланді каже, що його можна застосовувати й до інших типів ран, які важко гояться, наприклад, хронічних або інфікованих.
Сучасні пов'язки для ран є універсальним підходом, що не враховує особливості загоєння окремих ран.
Для прискорення загоєння ран a-Heal відстежує стан рани, діагностує поточну стадію загоєння, пропонує методи лікування та забезпечує їх. Повторюючи цей процес, пов'язка створює механізм зворотного зв'язку.
Роланді каже, що алгоритм машинного навчання ML Physician аналізує кожне зображення рани, «порівняє його з даними навчання і визначає стадію загоєння рани, а також чи заживає вона бажаним чином або потрібно втручання або лікування для прискорення загоєння». Ґрунтуючись на рекомендаціях ШІ, пристрій активує біоелектронні актуатори для реалізації одного з двох методів лікування, обидва з яких, як відомо, прискорюють загоєння у тварин: електростимуляція рани для зменшення запалення або введення флуоксетину, препарату, що стимулює зростання тканин.
Дослідники протестували пристрій на свині, оскільки шкіра свині багато в чому схожа на шкіру людини, каже Мін Чжао, лікар та професор дерматології Університету Каліфорнії в Девісі.
Хоча пов'язки з електростимуляцією вже існують, a-Heal йде далі. «Мені невідомий випадок, коли хтось використав фотографічну інформацію у поєднанні із замкнутою системою управління. Тож це безперечно нове поєднання двох технологій, над якими зараз працюють», — каже Джеффрі Гуртнер, лікар, хірург і професор університету Аризони, який працює за сумісництвом у Стенфордському університеті, який не брав участі в дослідженні.
Як розумний бандаж прискорює загоєння ран
Кожен дві години модуль камери бандажа робить 11 знімків на різній глибині різкості. На питання про те, наскільки добре камера може знімати темні відтінки шкіри людини, Роланді відповідає, що якщо є дані для навчання, то все має бути в порядку, але поки що рано говорити про це, оскільки ця версія пристрою не призначена для випробувань на людях.
Алгоритм машинного навчання ML Physician, що працює на ноутбуці, реалізує стратегію «відомий лідер» для аналізу зображень. Частина алгоритму, Deep Mapper, генерує прогнозоване зображення рани, або "лідер", - те, як вона виглядатиме при ідеальному загоєнні. Контролери глибокого навчання з підкріпленням намагаються «наслідувати» ідеальне зображення, контролюючи обсяг впливу.
Алгоритм машинного навчання вибирає лише один вид лікування за один раз. Спочатку застосовується електростимуляція. Лікування автоматично перемикається на введення препарату, коли ймовірність того, що рана все ще перебуває на стадії запального загоєння, становить 40%. (Рани зазвичай гояться в чотири етапи: згортання крові, запалення, зростання тканин і дозрівання.)
Біоелектронний актуатор, що використовується для проведення лікування, являє собою циліндричний корпус із силіконового полімеру з вісьмома резервуарами, розташованими по колу: чотири для електростимуляції та чотири для подачі ліків. Кожен резервуар оснащений електродом та центральним протиелектродом. Електроди з'єднуються з раною гідрогелем.
Використовуючи іонофорез, пристрій подає або фізіологічний розчин електростимуляції, або розчин флуоксетину. "По суті, замість електронів у нас є електричний струм терапевтичних молекул", - говорить Роланді. «Частина ланцюга, якщо можна так висловитися, фактично є ложем рани. Вимірюючи струм, ми можемо підрахувати, скільки молекул потрапляє у ложу рани, що дозволяє нам точно контролювати дозу».
Результати використання «розумного бандажа»
Результати показали, що 50% рани, обробленої пристроєм, покрилися новими клітинами шкіри порівняно з 20% рани контрольної групи. "Подає надію більш виражена реепітелізація", - сказав Гуртнер. Пристрій використовувався протягом перших семи днів з 22 днів експерименту, але рани не були повністю закриті за 22 дні.
Експресія одного з генів, пов'язаних із запаленням, інтерлейкіну 1 бета, знизилася на 61% в оброблених ранах. Роланді зазначає, що наявність інших генів, пов'язаних із запаленням або протизапальними властивостями, також мала позитивну динаміку. «Хоча [розмір вибірки] невеликий і поки що статистично незначний, приємно бачити, що епітелізація та якість епітелізації, запалення, зростання кровоносних судин та дозрівання рани постійно покращуються», — каже Чжао.
Загалом, "я думаю, це помірний ефект", - каже Гуртнер.
Команда сподівається, що вдосконалення пристрою дозволить досягти кращих клінічних результатів. «Думаю, ми маємо ще багато роботи», — каже Роланді. Результати дослідження були опубліковані у журналі Biomedical Innovations.
Гуртнер каже, що йому хотілося б бачити більші вибірки та «дуже хотілося б побачити, як рани будуть повністю закриті з пристроєм, і подивитися, наскільки велика різниця у часі закриття».
Роланді каже, що команда не відстежувала весь процес загоєння, тому що «по-перше, втручання на самому початку фази загоєння, як правило, має найбільший вплив на саме загоєння в цілому. По-друге, проведення таких великих доклінічних випробувань на тваринах стає дуже складним… для цієї першої публікації ми вирішили почати з простого і просто лікувати рану протягом семи днів».
Надалі команда планує спростити пристрій. (На створення поточної версії у них пішов місяць, каже Роланді.) «Ми розробляємо гнучку версію. Ми точно знали, що це необхідно».
